基于光纖光柵傳感器的貨物列車超偏載的監測方法

王月太　高賢輝　吳文艾

摘要：本文介紹了常用的貨物列車超偏載方法存在的問題，針對這些問題提出來一種新的貨物列車超偏載的監測方法。并具體的介紹了這一種新的貨物列車超偏載的監測方法的監測原理。

關鍵詞：光纖光柵傳感器；超偏載；應變

中圖分類號：U211.4文獻標識碼：A

保證列車行車安全是鐵路運輸的首要前提，隨著鐵路運輸的發展對保障列車行車安全的手段提出了更高的要求。我國鐵路屬于客貨混運，貨物列車經常會發生超載和偏載。貨物列車超載和偏載會引起車輛脫軌、損傷車輛和設備等威脅列車行車安全的現象。因此，為了保障列車的行車安全，必須對貨物列車的超偏載監測進行加強。目前常用的貨物列車超偏載方法是間接測量方法[1]，該方法是依據鋼軌力學原理，采用電阻應變片測量得出鋼軌的應力值，再根據測得的應力值計算出鋼軌所受的壓力。但電阻應變片在測量鋼軌應力的時候會存在以下問題：

（1）應變片不能長期牢固的粘貼在鋼軌上；

（2）要在鋼軌上鉆孔會破壞鋼軌；

（3）電阻應變片抗干擾能力差，尤其在鐵路上會受到電磁干擾；

（4）電阻應變片易被腐蝕，受環境影響大；

（5）電阻應變片有零點飄移，無法實現長期監測。

由于電阻應變片存在上面很多問題，因此需要有一種新的監測方法來實現貨物列車超偏載監測。

光纖光柵傳感器是一種新型的傳感器，近年來在各個領域得到廣泛應用。它具有抗干擾能力強、耐腐蝕、尺寸小、復用能力強、靈敏度高、傳輸距離遠等優點。光纖光柵傳感器可以解決電阻應變片在貨物列車超偏載監測中存在的問題，因此，本文提出一種基于光纖光柵傳感器的貨物列車超偏載的監測方法。

1 基于光纖光柵傳感器貨物列車的監測方法

貨物列車運行時，鋼軌會受到貨物列車載荷，鋼軌在受到載荷后，由于軌枕反作用力，鋼軌會產生形變位移。假設荷載大小為P，鋼軌的受力如下圖所示。根據材料力學和幾何關系[23]，鋼軌所產生的應變為：

ε（z）=yM（Z）EI（1）

式中，z是傳感器在軸向上的位置，y是傳感器距中和軸的距離，E為鋼軌的楊氏模量，I為鋼軌截面的慣性矩，M（z）為鋼軌的彎矩。

M（z）的表達式為：

M（z）=EId2ydx2=P4ke-kz（coskz-sinkz）（2）

式中，k為軌道系統特性參數。

將式（2）代入式（1）可得：

ε（z）=yP4kEIe-kz（coskz-sinkz）=kpP（3）

其中，ε（z）為鋼軌產生的應變函數，kp為比例常數。

由式（3）可知，當測量點的位置固定時，測量點處的應變值的大小只與載荷P有關。只要測得載荷P引起的軸向應變即可求得荷載P的大小。

光纖光柵傳感器與鋼軌密貼時，可以認為光纖光柵傳感器的應變大小與所密貼的鋼軌的應變大小是相等的。根據麥克斯韋經典方程及光纖耦合理論[4]，光纖光柵應變傳感機理為：

ΔλB/λB=（αf+ξ）ΔT+（1-Pe）Δε=αTΔT+αεΔε（4）

式中，αf為光纖的熱膨脹系數、ξ為光纖的熱光系數、Pe為光纖的彈光系數，αT和αε是光纖的應變靈敏度和溫度靈敏度，λB是光纖光柵的反射波長，ΔλB是波長的變化量，ΔT是溫度變化，Δε是應變變化。通過檢測光纖光柵中心反射波長，就能獲得光纖光柵所處環境溫度與軸向應變的信息。

由上式可知，應變和溫度都能引起光纖光柵的反射波長的變化，要想得到鋼軌的應變量需要對傳感器進行溫度補償。本方法是在同位置放置兩個光纖光柵傳感器，分別為光纖光柵傳感器1和光纖光柵傳感器2，其中傳感器1會受到溫度和應變影響，傳感器2只受到溫度的影響，沒有應變的影響。兩個傳感器可認為處在同一個溫度場中，那么，對于同時受溫度和應變影響的光纖光柵傳感器來說，只要在測量到的光柵的中心波長變化中扣除溫度變化引起的波長變化，就可以得到應變引起的波長變化，從而解決了光纖光柵應變和溫度都能引起波長的變化的問題，應變的表達式為：

Δε=（Δλε/λB-αtαε′ΔT/λB′）/αε（5）

式中，Δλε為光纖光柵傳感器1的波長變化、ΔλT為光纖光柵傳感器2的波長變化，αT、αε分別為光纖光柵傳感器1的應變靈敏度、溫度靈敏度和、αε′為光纖光柵傳感器2的溫度靈敏度。

由式（5）可以看出，當光纖光柵傳感器1有關參數和光纖光柵傳感器2的有關參數已知時，可以由光纖光柵傳感器的波長變化計算出鋼軌側面測點處的應變值，然后由式（3）即可得到相應的載荷P的大小。通過載荷的大小便可判斷貨物列車是否超載。

在線路的同一坐標的位置在兩根鋼軌上分別來測量載荷大小，通過對載荷大小的分析即可得到貨物列車的偏載情況。

2 結語

本文提出的貨物列車超偏載的監測方法，利用光纖光柵傳感技術解決傳統的電阻應變片在貨物列車超偏載監測時易發生受電磁干擾、穩定性差等問題，但對于該監測方法沒有進行具體的實驗測量，這些需在以后予以完善。

參考文獻：

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[5]孫汝蛟.光纖光柵傳感技術在橋梁健康監測中的應用研究[D].上海：同濟大學，2007：2224.

作者簡介：王月太（1989），女，甘肅蘭州人，工學碩士，西安交通工程學院電氣工程學院助教，主要研究方向為交通信息工程及控制。